LES STRUCTURES PORTEUSES

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1 LES STRUCTURES PORTEUSES
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Thème d’étude: LES STRUCTURES PORTEUSES ETUDE DE CAS : INFLUENCE DE LA GEOMETRIE ET DES MATERIAUX D’ UNE STRUCTURE PORTEUSE SUR SA MASSE ET SA RESISTANCE AUX CHARGES STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 – Projet 2

2 STI2D-Architecture et Construction
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES PLAN DE LA PRESENTATION DE L’ETUDE DE CAS 1 - Notion de structures porteuses et orientation de l’étude 2 - Question sociétale – problématique – problèmes techniques 3 - Objectifs et fil directeur de l’étude 4 - Modalités d’organisation des différentes activités composant l’étude 5 - Contenus des différentes activités 6 - Bilan des centres d’intérêt, compétences, capacités et connaissances abordés 7 - Informations complémentaires STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2

3 1 STI2D-Architecture et Construction LES STRUCTURES PORTEUSES
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES 1 LES STRUCTURES PORTEUSES STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2

4 LES STRUCTURES PORTEUSES
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES LES STRUCTURES PORTEUSES « ensemble de solides agencés de manière organisée et destiné à supporter des actions mécaniques importantes » STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 De très nombreuses applications …

5 LES STRUCTURES PORTEUSES
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES LES STRUCTURES PORTEUSES Une étude de cas recentrée sur : 1 - L’étude de sollicitations de poutre simples (constitutives des structures porteuses) 2 - L’étude de structures triangulées planes 3 - L’étude de structures triangulées spatiales de type PONT STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2

6 2 STI2D-Architecture et Construction QUESTION SOCIETALE PROBLEMATIQUE
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES 2 QUESTION SOCIETALE PROBLEMATIQUE PROBLEMES TECHNIQUES STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2

7 STI2D-Architecture et Construction
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES QUESTION SOCIETALE : Comment limiter le besoin en énergie et en matière pour construire et déplacer des structures porteuses résistantes. PROBLEMATIQUE : comment concevoir des structures porteuses les moins lourdes possibles, nécessitant le moins de matière possible et capable de supporter les actions mécaniques qu’elles subissent ? STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 PROBLEMES TECHNIQUES:  Comment les formes et les matériaux des poutres constitutives des structures porteuses, influencent-elles la masse et la résistance de cette structure ? En quoi la géométrie d’une structure apporte-t-elle de la résistance face aux actions mécaniques ?

8 3 STI2D-Architecture et Construction OBJECTIFS DE L’ETUDE
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES 3 OBJECTIFS DE L’ETUDE STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2

9 STI2D-Architecture et Construction
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES OBJECTIFS DE L’ETUDE: - Comprendre comment la géométrie d’une poutre et les matériaux influencent le comportement sous charge de cette poutre et d’une structure. - Comprendre de quelle manière une triangulation de poutre apporte résistance et rigidité à une structure porteuse tout en limitant la masse de cette structure. - SIMULER et EXPERIMENTER des poutres et des structures triangulées - Apporter des réponses à la problématique - comparer les comportements des modèles expérimentaux et des modèles simulés STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 MODELE REEL MODELE SIMULE ECART

10 4 STI2D-Architecture et Construction MODALITES D’ORGANISATION
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES 4 MODALITES D’ORGANISATION DES ACTIVITES COMPOSANT L’ETUDE DE CAS STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2

11 5 STI2D-Architecture et Construction CONTENUS DES ACTIVITES
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES 5 CONTENUS DES ACTIVITES STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2

12 Activité 1 : STI2D-Architecture et Construction
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Activité 1 : ETUDE DE SOLLICITATIONS DE POUTRES SIMPLES Etape 1 : cours sur le comportement du solide déformable Notion de poutre , hypothèses préliminaires, modélisation d’une poutre Actions mécaniques et sollicitations contraintes – déplacements de matière – déformations Propriétés importantes de matériaux (domaines élastique et plastique, limite élastique, module d’Young, masse volumique …) Notions sur la simulation du solide déformable (notion d’éléments finis, lecture et analyse des résultats d’une simulation) STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2

13 Activité 1 STI2D-Architecture et Construction
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Activité 1 ETUDE DE SOLLICITATIONS DE POUTRES SIMPLES Etape 2 : EXPERIMENTATION: FLEXION 3 POINTS DE POUTRES Sur un banc de flexion simple, charger des poutres de différentes sections et différents matériaux STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2

14 Activité 2: STI2D-Architecture et Construction
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Activité 2: ETUDE DE SOLLICITATIONS DE POUTRES SIMPLES Etape : EXPERIMENTATION: FLEXION 3 POINTS DE POUTRES Sections des poutres toutes contenues dans un encombrement 10 mm x 10 mm Expérimentations, recueil des résultats, exploitation d’un tableur STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 Les paramètres influençant la flexion

15 Activité 2 : STI2D-Architecture et Construction
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Activité 2 : ETUDE DE SOLLICITATIONS DE POUTRES SIMPLES Etape : MODELISATION + SIMULATION : FLEXION 3 POINTS DE POUTRES Même démarche que l’étape 2 mais virtuellement à l’aide de Solidworks Simulation (2010) Les mêmes poutres qu’à l’étape 2 + autre section non disponible réellement et toujours contenues dans un encombrement 10 mm x 10 mm STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 IPE

16 Activité 2: STI2D-Architecture et Construction
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Activité 2: ETUDE DE SOLLICITATIONS DE POUTRES SIMPLES Etape 3 : MODELISATION + SIMULATION : FLEXION 3 POINTS DE POUTRES Recueil des résultats et exploitation d’un tableur Calcul d’un coefficient K permettant de dire « la poutre est capable de supporter x fois sa propre masse » (sans sortir du domaine élastique) STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 Masse suspendue à la poutre générant dans la poutre une contrainte égale à limite élastique Masse de la poutre K =

17 Activité 2: STI2D-Architecture et Construction
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Activité 2: ETUDE DE SOLLICITATIONS DE POUTRES SIMPLES Etape 4 : ANALYSE DES RESULTATS ET REDACTION D’UN RAPPORT DE SYNTHESE (travail élève) Comparaison des résultats issus de l’expérimentation et de la simulation:  validation du modèle simulé Comparaison des poutres de même matière mais de sections différentes Comparaison des poutres de même section mais de matières différentes Constat: Evolutions des contraintes et de la flèche proportionnelles à la charge Pour la poutre rectangulaire, comparaison des résultats suivant l’orientation de la section (grand et petit moment quadratique) Analyse du coefficient K et conclusion sur l’intérêt des différentes sections … STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 MODELE REEL MODELE SIMULE ECART

18 Activité 2: STI2D-Architecture et Construction
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Activité 2: ETUDE DE SOLLICITATIONS DE POUTRES SIMPLES Etape 5 : SYNTHESE DE L’ACTIVITE 1 et APPORT DE NOTIONS SUPPLEMENTAIRES Bilan des rapports de synthèse et comparaison avec les observations et conclusions attendues explication de la notion de moment quadratique explication théorique des contraintes dues à la flexion et conclusion sur les sections les plus adaptées à cette sollicitation. STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 1er réponses à la problématique : influence de la géométrie (section et longueur de poutre) et des matériaux sur la résistance et la rigidité d’une poutre en flexion

19 Activité 3 STI2D-Architecture et Construction
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Activité 3 ETUDE DE STRUCTURES TRIANGULEES « 2D et 3D » Etape 1 : LANCEMENT DE L’ACTIVITE découverte du principe de modélisation utilisé pour modéliser la structure triangulée plane: Utilisation d’une esquisse modèle création de la structure comme une pièce composée de différents corps volumiques indépendants (poutres) outils d’esquisse permettant une modélisation plus rapide … STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 etc …

20 Activité 3: STI2D-Architecture et Construction
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Activité 3: ETUDE DE STRUCTURES TRIANGULEES « 2D » Etape 2 : MODELISATION ET SIMULATION DE STRUCTURE 2D géométrie évolutive + différents cas de chargement  différentes simulations analyse des déplacements, des contraintes, recherche du coefficient K STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2

21 Activité 3: STI2D-Architecture et Construction
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Activité 3: ETUDE DE STRUCTURES TRIANGULEES « 2D » Etape 3 : ANALYSE DES RESULTATS ET SYNTHESE ETAPE 2 EN CLASSE ENTIERE comparaison des performances des différentes structures constatation de l’influence de la zone de chargement suivant la géométrie de la structure STI2D-Architecture et Construction Modèle 1 Modèle 2 Modèle 3 Bien moins déformable que modèle 1 Même déformation que modèle 1 mais plus lourd Cycle 2 - Projet 2 Performances du modèle 3 modifiées suivant la zone de chargement

22 Activité 2 suite : STI2D-Architecture et Construction
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Activité 2 suite : ETUDE DE STRUCTURES TRIANGULEES  « 3D » Etape 3 suite : LANCEMENT ETAPE 4 AIDE METHODOLOGIQUE POUR REALISER L’ETAPE 4 : MODELISATION ET SIMULATION STRUCTURE TRIANGULEE 3D: création des plans virtuels contenant les différentes poutres utilisation de l’outils conversion d’entité pour gagner en rapidité de modélisation STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2

23 Activité 3: STI2D-Architecture et Construction
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Activité 3: ETUDE DE STRUCTURES TRIANGULEES « 2D et 3D » Etape 4 : MODELISATION ETSIMULATION D’UNE STRUCTURE TRIANGULEE 3D utile en vue de l’activité 3: conception et modélisation d’un pont triangulé analyse des déplacements, contraintes et détermination du coefficient K STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2

24 Activité 4: STI2D-Architecture et Construction
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Activité 4: CONCEPTION – SIMULATION – REALISATION – EXPERIMENTATION D’UN PONT A ECHELLE REDUITE Etape 1 : LANCEMENT DE L’ACTIVITE 3 objectifs, méthodologie, organisation du travail en groupe  Étape 2 : conception géométrie pont : en groupe de 4  Étape 3 :modélisation + simulation: en groupe de 2 (fractionnement groupe de 4)  Etape 4 : réalisation réel du pont et expérimentation : en groupe de 4 STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2

25 Activité 4: STI2D-Architecture et Construction
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Activité 4: CONCEPTION – SIMULATION – REALISATION – EXPERIMENTATION D’UN PONT A ECHELLE REDUITE Etape 1 : LANCEMENT DE L’ACTIVITE 3 travail sur la base du KIT PONT TRELLIS « A4 technologie » :  poutres en PVC expansé + visserie + documentation très complète GRATUITE (+ outils d’aide au dessin et à la réalisation en option) STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2

26 Activité 4: STI2D-Architecture et Construction
Utilisation ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Activité 4: CONCEPTION – SIMULATION – REALISATION – EXPERIMENTATION D’UN PONT A ECHELLE REDUITE Etape 2 : CHOIX DE LA GEOMETRIE DE LA STRUCTURE - MODELISATION – SIMULATION  Choix d’une silhouette puis utilisation simultanée d’un plan papier et d’une esquisse solidworks pour définir la géométrie du pont STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 Encombrement imposé Gabarit de plan fourni (A4 techno.)

27 Activité 4: STI2D-Architecture et Construction
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Activité 4: CONCEPTION – SIMULATION – REALISATION – EXPERIMENTATION D’UN PONT A ECHELLE REDUITE Etape 2 suite : CHOIX DE LA GEOMETRIE DE LA STRUCTURE - MODELISATION – SIMULATION  Modélisation de la maquette du pont et simulation STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2

28 Activité 4: STI2D-Architecture et Construction
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Activité 4: CONCEPTION – SIMULATION – REALISATION – EXPERIMENTATION D’UN PONT A ECHELLE REDUITE Etape 3 : REALISATION DE LA MAQUETTE DU PONT - EXPERIMENTATION  REALISATION : Définition précise des différentes poutres - découpe – perçage - assemblage STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2

29 Activité 4: STI2D-Architecture et Construction
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Activité 4: CONCEPTION – SIMULATION – REALISATION – EXPERIMENTATION D’UN PONT A ECHELLE REDUITE Etape 3 suite : REALISATION DE LA MAQUETTE DU PONT - EXPERIMENTATION  EXPERIMENTATION STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2

30 Activité 4: STI2D-Architecture et Construction
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Activité 4: CONCEPTION – SIMULATION – REALISATION – EXPERIMENTATION D’UN PONT A ECHELLE REDUITE Etape 4 : ANALYSE et COMPARAISON DES MODELES « Recalage éventuel du modèle simulé pour rapprocher son comportement de celui du modèle réel expérimental » Comparaison des performances des différentes structures réalisées par les différents groupes d’élèves STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 MODELE SIMULE ECART MODELE EXPERIMENTAL

31 STI2D-Architecture et Construction
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES BILAN DES DOCUMENTS PEDAGOGIQUES FICHES D’ACTIVITES  Présentation générale de l’étude de cas structures porteuses  Activité 1: expérimentation et simulation de poutres en flexion  Activité 2 : simulation de structures triangulées planes et spatiales  Activité 3 : conception simulation expérimentation d’une maquette de pont triangulée FICHES METHODES  Fiche méthodologie: expérimentation poutres en flexion  Fiche méthodologique: simulation poutres en flexion COURS ET SYNTHESES  Cours sur le comportement du solide déformable  Synthèse activité 1: poutres en flexion – Analyse des résultats – connaissances complémentaires  Synthèse activité 2: les structures triangulées STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2

32 6 STI2D-Architecture et Construction CENTRES D’INTERETS COMPETENCES
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES 6 CENTRES D’INTERETS COMPETENCES CONNAISSANCES CAPACITES STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2

33 STI2D-Architecture et Construction
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES CENTRES D’INTERET ABORDES STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2

34 STI2D-Architecture et Construction
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES COMPETENCES – CAPACITES - CONNAISSANCES A – ANALYSER A2 – Analyser le Système «  identifier les matériaux des constituants et leurs propriétés en relation avec les fonctions et les contraintes » Matériaux :  Mettre en relation les propriétés du matériau avec les performances du système Comportement du solide déformable :  Analyser les sollicitations dans les composants  Analyser les contraintes dans un composant A3 – caractériser des écarts « comparer les résultats expérimentaux avec les critères du cahier des charges et interpréter les écarts » « comparer les résultats expérimentaux avec les résultats simulés et interpréter les écarts » Analyse des écarts  Traiter des données de mesures  Quantifier des écarts entre des valeurs mesurées et des valeurs obtenues par simulation  Rechercher et proposer des causes aux écarts constatés STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2

35 STI2D-Architecture et Construction
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES COMPETENCES – CAPACITES - CONNAISSANCES B – MODELISER B3– Résoudre et simuler « simuler le fonctionnement de tout ou partie d’un système à l’aide d’un modèle fourni.  » Comportement du solide déformable :  Déterminer les parties les plus sollicitées dans un composant B4 – valider un modèle « interpréter les résultats obtenus » Matériaux  Identifier l’influence des propriétés des matériaux sur les performances du système Comportement du solide déformable  Valider l’influence de la structure sur les performances du système STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2

36 STI2D-Architecture et Construction
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES COMPETENCES – CAPACITES - CONNAISSANCES C – EXPERIMENTER C2– Mettre en œuvre un protocole expérimental « conduire les essais en respectant les consignes de sécurité à partir d’un protocole fourni » « traiter les données mesurées en vue d’analyser les écarts»  Mettre en œuvre un appareil de mesure  Analyser des résultats expérimentaux D – COMMUNIQUER D2 – mettre en œuvre une communication « produire un support de communication » « argumenter »  Réaliser un document numérique STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2

37 7 INFORMATIONS COMPLEMENTAIRES STI2D-Architecture et Construction
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES 7 INFORMATIONS COMPLEMENTAIRES DISPOSITIF EXPERIMENTAL POUR ETUDE FLEXION POUTRES STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2

38 7 INFORMATIONS COMPLEMENTAIRES STI2D-Architecture et Construction
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES 7 INFORMATIONS COMPLEMENTAIRES DISPOSITIF EXPERIMENTAL POUR ETUDE FLEXION POUTRES STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2

39 STI2D-Architecture et Construction
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES DISPOSITIF EXPERIMENTAL POUR ETUDE FLEXION POUTRES STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2

40 STI2D-Architecture et Construction
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES EXEMPLES DE REALISATIONS ELEVES STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2

41 STI2D-Architecture et Construction
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES DISPOSITIF EXPERIMENTAL - MESURE DE LA DEFORMEE DU PONT SOUS CHARGE STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2